3.3 Выбор способа регулирования координат

В электроприводе существует два способа регулирования координат:

А) полноценное;

Б) не полноценное.

В данном случае применяем полноценное регулирования координат, то есть при изменении скорости вращения вала электродвигателя изменяется . Необходимо получить стабильную скорость привода для обеспечения необходимого качества прокатки. Различают также автоматическое и ручное регулирование координат. Ручное регулирование предполагает изменение скорости привода с участием оператора. В данном случае применяем автоматическое регулирование координат. Оператор необходим только для запуска привода.

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

На данном этапе необходимо добиться выбора наиболее приемлемого варианта решения задачи, т.е. построения оптимального электропривода для механизма прокатного стана.

При выборе желаемых вариантов систем ЭП проведение строгих техника – экономических расчётов не представляется возможным из-за отсутствия требуемых исходных данных. Поэтому здесь можно воспользоваться так называемым «методом экспертных оценок» /6/ . Сравнение предварительных результатов или вариантов решения производиться относительно n – характеристик системы, важных с точки зрения цели проектирования, путём сравнения определённых значения соответствующих показателей качества q_i .

При выборе будем учитывать следующие условия:

– Продолжительный режим работы установки;

– Ударная нагрузка;

– Соответствие двигателя найденному эквивалентному моменту;

– Значительная мощность привода.

Принципиальные варианты решений следующие:

а) АД с частотным управлением;

б) система Г-Д;

в) ДПТ – УВ;

г) каскадная система.

Оценку системы будем проводить по следующим характеристикам:

–масса;

–надёжность;

–расход энергии за цикл;

–габариты;

–к.п.д. системы;

–стоимость;

– эксплуатационная стоимость;

– ремонтопригодность

– перспективность

Рисунок 5 - Оценочная диаграмма

Выбор наилучшего решения производится определением взвешенной суммы (лучший вариант имеет большую сумму) :

(3.1)

где − суммарная оценка;

− весовой коэффициент;

− показателей качества.

Показатели качества служат для количественной характеристики степени выполнения требований задания на проектирование ЭП, а также других требований рабочей машины (технологические, эксплуатационные и т.д.) и определяется например, следующим образом:

5 – требования к i-ой характеристике системы выполнены очень хорошо;

qi= 4 -требования к i-ой характеристике системы выполнены хорошо;

3 - требования выполнены удовлетворительно;

2 - требования выполнены неудовлетворительно

Определение лучшего варианта решения, зависит от того, являются ли все характеристики системы равноправными или их значимость для достижения цели проектирования различна. Для этого вводиться весовой коэффициент l, который можно определить следующим образом:

5 – i-я характеристика системы имеет определяющее значение для цели разработки;

li= 4 - i-я характеристика системы имеет очень большое, но не определяющее значение;

3 - i-я характеристика системы имеет важное значение;

2 - данную характеристику желательно учесть;

Полученные оценки приведены ниже:

1. S1= 75 (пунктирная линия);

2. S2 = 77 (сплошная линия);

3. S3= 71 (точечная линия);

4. S1= 65 (штрих-пунктирная линия).

Исходя из результатов расчета, выбираем вариант S2, т.е. управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя

Расчет мощности двигателя производят, как правило, по следующим критериям:

- по нагреву;

- по перегрузочной способности;

Расчет мощности двигателя по нагреву должен производится путем определения наибольшей температуры перегрева его изоляции t_max и сравнение ее с допустимой t_доп :

(4.1)

где: τ = Θ - Θохл

Θ – температура нагрева обмоток, ˚С;

Θохл – температура окружающей среды ( по ГОСТ8865-87 принято унифицировать значение, равное 40˚С).

Этот метод для практических расчетов затруднен поскольку возникают определенные сложности построения кривой нагрева двигателя.

Для предварительных расчётов мощности обычно используется метод эквивалентного момента, а проверку двигателя по нагреву осуществляют методом средних потерь или методом эквивалентного тока.

Выражение метода эквивалентного момента:

; (4.3)

Интеграл можно заменить суммой:

; (4.4)

Воспользовавшись рисунком 1.4, запишем выражение для :

(Н*м)

Поскольку двигатель работает в длительном режиме с переменной нагрузкой (колебания момента на вагу двигателя более 8% от его среднего значения), мощность двигателя выбираем по формуле

Р_н.дв ³М_э *w_н. ; (4.6)

Вт

При расчете эквивалентного момента не учитывалось ухудшение охлаждения двигателя при работе на пониженных скоростях в связи с тем, что двигатели такой мощности оснащаются независимым вентилятором типа «наездник».

Для прокатного стана с мощностью двигателя более 200 кВт можно выбрать двигатели серии: МП,2МП,П,2П,ПП,ПБК,2ПБ.

Исходя из вышесказанного, принимаем двух двигательный привод. Двигатели работают на общий вал, и включены в цепь последовательно для обтекания одним током и, соответственно, для одинаковой загрузки.

Выбираем двигатели постоянного тока МПЭ 450-900 У3. Основные требуемые для расчета данные электродвигателя следующие:

– Номинальная мощность электродвигателя:

Вт;

– Номинальное напряжение питания якоря:

– В;

– Коэффициент перегрузки по току: ;

– Номинальная скорость вращения: об/мин; тогда соответственно:

рад/с.

– Номинальный ток якоря: А;

– Сопротивления обмотки якоря (все сопротивления даны для температуры 15⁰ С):

Ом;

– Сопротивление обмотки дополнительных полюсов:

Ом;

– Сопротивление компенсационной обмотки: Ом;

– Сопротивление обмотки возбуждения: Ом;

– Напряжение обмотки возбуждения: В;

– Количество пар полюсов: ;

– Момент инерции якоря кг*м² ;

– Падение напряжения на щетках одного двигателя: В;

По перегрузочной способности двигатель подходит.

4.2 Расчет параметров и выбор силовых преобразователей

Исходя из требуемого напряжения питания двигателей (напряжение удвоенное в связи с последовательным соединением якорных обмоток) и расчетной мощности выбираем трансформатор: ТМНПД-5000/10 У2; исполнение 5, соединение обмоток .

Паспортные данные трансформатора:

– Номинальная полная мощность трансформатора: ВА;

– Потери холостого хода: Вт;

– Потери короткого замыкания: Вт;

– Напряжение первичной обмотки: В;

– Напряжение вторичной обмотки: В;

– Напряжение короткого замыкания: %;

– Номинальная частота сети: Гц, рад/с.

Рассчитаем параметры трансформатора:

Номинальный фазный ток вторичной обмотки:

А; (4.7)

Активное сопротивление фазы вторичной обмотки:

Ом; (4.8)

Полное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора:

Индуктивное сопротивление фазы вторичной обмотки:

Ом; (4.10)

Индуктивность фазы вторичной обмотки:

Гн; (4.11)

Так же, исходя из вышеописанных соображений, выбираем тиристорный преобразователь ТПП1.

Паспортные данные преобразователя и некоторые данные для дальнейшего расчета:

– Реверсивный;

– Изготовлен по мостовой 6-ти пульсной схеме ;

– Номинальное выпрямленное напряжение преобразователя: В;

– Номинальный выпрямленный ток: А;

– Падение напряжения на вентилях: В;

– Коэффициент запаса по току: ;

– Коэффициент схемы по току: ;

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

Все расчеты будут проведены для одного двигателя исходя их тех предположений, что напряжение распределяется по якорным обмоткам равномерно, ток общий, момент– одинаковый. Нагрузка на один двигатель принимается половиной от общей.

Приведем сопротивления к рабочей температуре:

Коэффициент приведения равен:

; (5.1)

;

где ⁰ С– температура, при которой дано сопротивление обмоток двигателя в паспортных данных;

⁰ С– рабочая температура двигателя с классом изоляции В.

Сопротивление якорной обмотки без учета падения напряжения на щетках:

; (5.2)

Ом;

Полное сопротивление якорной цепи двигателя:

Ом; (5.3)

Индуктивность якорной цепи (по формуле Ленвиля-Уманского):

Гн, (5.4)

где – эмпирический коэффициент (при наличии компенсационной обмотки).

Максимальная ЭДС преобразователя :

; (5.5)

;

Ориентировочно оценим минимальное требуемое значение ЭДС преобразователя, учитывая диапазон ,:

; (5.6)

Найдем требуемую индуктивность сглаживающего дросселя из условия максимально-допустимых пульсаций тока нагрузки, равных 5%, :

Максимальный (ориентировочно) угол управления:

рад; (5.7)

Коэффициент для мостовой схемы:

; (5.8)

;

Требуемое индуктивное сопротивление сглаживающего дросселя:

; (5.9)

Гн; (5.10)

Выбираем сглаживающий дроссель СРОС3-800МУХЛ4, его паспортные данные:

– Номинальный ток дросселя: А;

– Номинальное сопротивление дросселя: Гн.

– Номинальные потери в меди дросселя: Вт;

Ставим последовательно 2 дросселя: .

Суммарная индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн; (5.11)

Суммарное активное сопротивление сглаживающего дросселя:

Ом; (5.12)

Эквивалентное сопротивление коммутации:

Ом; (5.13)

Полное эквивалентное сопротивление якорной цепи двигателя:

; (5.14)

Ом;

Полная индуктивность якорной цепи (учитывая, что вторичная обмотка трансформатора соединена в треугольник и используется мостовая схема, которая «работает» с линейными напряжениями, а, следовательно, ток нагрузки течет только по одной из обмоток трансформатора.):

; (5.15)

Гн;

Определим конструктивный коэффициент двигателя, связывающий противоЭДС и скорость вращения вала двигателя:

; (5.16)

В*с/рад;

Момент на валу, развиваемый электродвигателем:

Н*м; (5.17)

Электромагнитный момент двигателя:

Н*м; (5.18)

Найдем относительную разницу между электромагнитным моментом и моментом на валу:

; (5.19)

Так как разница более 5%, то для дальнейших расчетов найдем конструктивный коэффициент двигателя, связывающий момент на валу двигателя и с током якоря:

Н*м/А;

Выражение механической характеристики имеет вид:

(5.20)

, где

=1 – падение напряжения на вентилях;

Из выражения механической характеристики находим углы открытия вентилей для заданных режимов работы:

Первая прокатка:

Вторая прокатка:

Третья прокатка:

Четвертая прокатка:

Для построения МХ и ЭМХ необходимо определить характер поведения характеристики в области прерывистых токов, следовательно сначала находим значения граничных токов и соответственно моментов для приведенных выше расчетных режимов.

Первая прокатка:

Вторая прокатка:

Третья прокатка:

Четвертая прокатка:

Непосредственно зону прерывистых токов рассчитаем по точкам. Зададимся десятью значениями . Вычисления будем производить для тех же расчетных режимов что и ранее. В данном случае ток, момент и скорость двигателя в зоне прерывистых токов будут определятся исходя из следующих выражений.

Характеристики замкнутой системы будут абсолютно жесткие, что будет показано далее.

Сопротивление в режиме прерывистых токов меньше сопротивления в режиме непрерывных токов на величину сопротивления коммутации. Однако, в этом случае будет разрыв характеристик в граничной точке. Сопротивление коммутации изменяется с изменением тока нагрузки так же как и эквивалентное сопротивление щеточного контакта. Тогда в режиме непрерывных токов с уменьшение тока нагрузки и становится равным нулю при граничном токе. Однако в этом случае двигатель механическая характеристика двигателя в режиме непрерывных токов становится нелинейной. Следовательно, оставим сопротивления одинаковым в режиме прерывистых и непрерывных токов.

6. Расчёт переходных процессов в электроприводе за цикл работы

Механическая часть электропривода представлена трехмассовая расчётной схемой. Приведем обоснование перехода к одномассовой расчётной схеме.

Исходная схема:

Рисунок 6 – Расчетная схема, где

:

(кг*м² ) (6.1)

(кг*м² ) (6.2)

(кг*м² ) (6.3)

Из справочника выбераем муфты с жесткостью:

Из справочника выбераем муфты с жесткостью:

(Н*м)

(Н*м) (6.4)

(Н*м) (6.5)

(Н*м) (6.6)

Так как и , то схема может быть представлена двухмассовой:

Рисунок 7 – Расчетная схема

(кг*м² ) (6.7)

(кг*м² ) (6.8)

(6.9)

(Н*м)

Перейдем к одномассовой расчетной схеме, т.к.

и (*)

Собственная частота:

(с^-1 ) (6.10)

Желаемая частота среза:

(с^-1 ) (6.11)

где:а_Т , а_С , b_Т – коэффициенты демпфирования.

Так как выполняется условие (*) осуществляем переход к одномассовой расчетной схеме:

кг*м² (6.12)

Рисунок 8 – Расчетная схема привода

Расчетная схема механической части привода приведена в графической части. Имеем систему подчиненного регулирования, состоящую из двух контуров: контура тока и контура скорости. Для получения астатической системы и точного поддержания скорости прокатки настраиваем контур тока на МО, а контур скорости на СО.

Составляем структурную схему привода:

При исследовании и расчете систем исходят из математического описания физических процессов, происходящих в них.

Структурные схемы показывают взаимосвязь составных частей и характеризуют их динамические свойства, т.е. являются графическим изображением математического описания элементов системы в динамике.

1) Структурная схема тиристорного преобразователя.

В целом тиристорный преобразователь, работающий в режиме непрерывного тока, с достаточной точностью можно представить одним динамическим безынерционным звеном с чистым запаздыванием, передаточная функция которого имеет вид:

(6.13)

где: - общее время запаздывания;

-время запаздывания силового преобразователя;

(с) (6.14)

- время запаздывания устройства управления;

С достаточной точностью тиристорный преобразователь, работающий в режиме непрерывного тока, можно представить звеном:

(6.15)

где: (с).

Структурная схема двигателя постоянного тока при управлении напряжением якоря.

При математическом описании двигателя постоянного тока с независимым возбуждением принимаются допущения:

1) размагничивающее действие реакции якоря считается скомпенсированным;

2) индуктивность и сопротивление якорной цепи являются постоянными величинами;

3) магнитный поток линейно зависит от намагничивающей силы.

Для построения структурной схемы двигателя пишем систему дифференциальных уравнений в операторном виде:

где E_тп (p)- изображение ЭДС тиристорного преобразователя;

Е_дв (p) - изображение противо-ЭДС двигателя;

I_я (p) - изображение тока якоря;

r_я.ц. - суммарное сопротивление якорной цепи;

Т_я.ц. - суммарная постоянная времени якорной цепи;

С - конструктивный коэффициент двигателя;

W(p) - изображение скорости вращения электродвигателя;

М_дв (p) - изображение момента развиваемого двигателем;

М_с (p) - изображение момента сил статических сопротивлений;

J_S - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя.

Структурные схемы регуляторов представим в виде Wрт и Wдс , которые при настройке контуров будут определены.

Датчики тока и скорости представлены в виде Кдт и Кдс .

Структурная схема привода приведена в приложении____

В данной структурной схеме учтем нелинейности регуляторов и тиристорного преобразователя. Ограничение на нелинейности тиристорного преобразователя ±Еdo.

Статическая механические характеристики замкнутой системы абсолютно жесткие.

В статике Uзт и Uост равны, следовательно:

(6.16)

Настройка контура тока на модульный оптимум:

Постоянная времени якорной цепи:

(6.17)

Т.к. , то в качестве некомпенсируемой постоянной времени принимаем = = 0,0017(с).

Кроме того исследованиями установлено, что О.С. по ЭДС не существенно усложняет структуру регуляторов. Поэтому при выводе регуляторов учитываться не будет.

В данном случае объект компенсации представляет собой апериодическое звено с

,

поэтому должен быть использован пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор.

(6.18)

(6.19)

Преобразуем полученное выражение:

(6.20)

Настройка контура скорости на симметричный оптимум:

Для настройки контура скорости свернем внутренний контур тока в одно звено:

(6.21)

При настройке контура скорости можно пренебречь старшими степенями:

(6.22)

Необходимо условно отбросить внешние воздействия, а также разорвать обратную связь. Запишем передаточную функцию для разомкнутого контура скорости:

(6.23)

Запишем передаточную функцию контура тока, настроенного на симметричный оптимум, причем

(6.24)

Приравняем выражения (6.24) и (6.25):

(6.25)

Из выражения (6.25) находим с учетом того, что .

(6.26)

Для получения меньшего перерегулирования на вход системы ставим фильтр:

(6.27)

Математическая модель привода в среде Matlab приведены в приложении___

Определяем параметры системы:

(с)

(Ом)

(В/рад/с)

(Н*м/А)

Скорость прокатки задаются автоматически:

(В); (В); (В); (В)

Для обеспечения такого задания скорости на вход системы ставят программатор.

Тахограмма задания скорости – в приложении. Наброс момента осуществляется через 1с после подачи соответствующего сигнала задания скорости.

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

По результатам расчета переходных процессов за цикл работы можно рассчитать эквивалентный ток и следовательно проверить правильность выбора электродвигателя. Эквивалентный ток рассчитывается по следующей формуле:

(7.1)

Тогда:

(А)

Проверим правильность выбора двигателя по коэффициенту загрузки:

(7.2)

Откуда:

Двигатель загружен на 87,4%, что свидетельствует о правильности его выбора.

8. Разработка схемы электрической принципиальной

Разработка схемы силовых цепей

Управление выпрямителя (UZ1) подключается к промышленной сети переменного тока, через автоматический выключатель (QF1) с помощью магнитного пускателя КМ1. Выпрямленные напряжения и ток с выхода преобразователя подаются на двигатель постоянного тока М1. С целью уменьшения пульсации тока и расширение зоны коммутации двигателя в цепь нагрузки включены два сглаживающих дросселей (Lдр). Обмотка возбуждения двигателя управляется с помощью тиристорного преобразователя (UZ2).Необходимый ток возбуждения устанавливается реостатом RP1.

Управляемый выпрямитель UZ1 осуществляет управление привода. В его состав входит: трансформатор, сглаживающий реактор, шунт, предохранители, система управления (СИФУ), систему защиты, регуляторы тока и скорости. К нему подводится сигнал от датчика скорости и сигналы управления тиристорами мостами (вперед, назад).

Датчик скорости выполнен в виде тахогенератора BR1.

С помощью SB1 и SB2 производится пуск и останов привода.

Для защиты силовых цепей и цепей управления от токов короткого замыкания и перегрева применяются автоматические выключатели.

Выбор элементов схемы

1) Выбор двигателя постоянного тока М1 – МП1100-620У3(см. пункт 4.1).

2) Выбор тахогенератора BR

Выбор производим по скорости вращения

ПТ-3111 ТУ 16-512.421-77

- Ном.скорость вращения : n_н =660 об/мин;

- Ном.напряжение питания : Uя=220 В;

- Ном.ток якоря : Iя=0,5 А ;

- Ном.сопротивления якорной цепи : Rя=31,1 Ом ;

3) Выбор преобразователей UZ1, UZ2 тиристорный преобразователь ТПП1 (см. пункт 4.2).

4) Выбор сглаживающего дросселя:

Выбираем сглаживающий дроссель СРОС3-800МУХЛ4 (см. пункт 5).

5) Выбираем автоматический выключатель А3730Ф (ТУ 16-522.064-82) со следующими характеристиками:

1.

2.

3.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта последовательно были пройдены все этапы проектирования электропривода: произведен выбор двигателя, определен наиболее приемлемый вариант решения поставленной технической задачи; составлена техническая документация.

Итогом выполнения данного проекта стала работоспособная система электропривода, удовлетворяющая своими характеристиками техническому заданию.

Список литературы

1. Теория электрического привода. Методические указания по курсовому проектированию Часть I. Могилев.: ММИ, 1991,–65с.

2. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского.–М.: Энергоатомиздат, 1983.– 616 с.

3. Ключев В. И. Теория электропривода: Учебник для вузов.– М.: Энергоатомиздат, 1985.– 550 с.

4. Комплектные тиристорные преобразователи/ Под ред. В.М. Перельмутера. М.: Энергоатомиздат. 1988.– 318 с.

содержание   ..  509  510  511   ..